V形肋片型太阳能空气集热器换热特性的研究

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(大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024)

V形肋片型太阳能空气集热器换热特性的研究

徐莎莎，金东旭，张曼曼

(大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024)

本文运用数值模拟的方法，对带有多重V形肋片的平板型太阳能空气集热器的换热与流动特性进行了研究。在雷诺数5 000～20 000范围内，采用RNGk-ε湍流模型，研究了相对肋宽比(W/w)对集热器换热特性的影响规律，并对集热器内部流场进行了分析。研究结果表明，V形肋片增强了空气的对流换热。这是由于流体掠过肋片后，产生旋涡和回流，加强了流体扰动，从而使换热增强。相对其它肋宽比而言，W/w=6时，集热器具有较好的换热效果，努塞尔数为光滑壁面的2.54倍，但肋片的存在导致摩擦损失增加，换热性能因数最大为1.55。

太阳能空气集热器；平板型集热器；数值模拟；强化换热；V形肋片

开发利用太阳能，对节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等都具有极其重要的意义。平板型集热器是太阳能低温热利用系统的主要部件，主要有吸热板、透明盖板、隔热材料和外壳等几部分组成。平板型集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板，投射到吸热板上，被吸热板吸收并转换为热能，使传热介质的温度升高。为了提高太阳能集热器的性能，增强换热，近年来出现了许多新的吸热板形式，主要有在吸热板上增加肋片、倒角、金属丝网及起皱模块等，这些新型吸热板增强了流体的扰动，从而提高了对流换热系数和集热器的热效率。

近年来，国内外学者从不同角度对太阳能空气集热器进行了大量研究。研究表明，设置肋片是提高换热系数和强化换热的有效方法。Abdul-Malik等[1]设计了带有V形肋片的平板型集热器，并对其进行了实验研究，结果表明，V形肋片在强化换热，增强流体扰动方面明显优于光滑的平板型集热器。Tanda等[2]对离散型V形肋片的集热器进行了研究，发现离散型V形肋片能有效促进湍流，强化对流换热。Youcef-Ali等[3]提出了带有交错式矩形翅片的集热器，该集热器具有较高的单位体积换热面积和较低的压力损失。Saini和Verma等[4]设计了带有半球形凹槽的吸热板，并实验研究了凹槽的组数和几何尺寸对集热器换热特性的影响。Varun等[5]、Karmare等[6]和Karwa等[7]实验研究了离散的倾斜肋片，结果表明离散肋片能有效的破坏层流底层，提高换热性能。Youcef-Ali等[9]对带有交错式的矩形翅片的集热器进行了数值模拟。Chaube等[10]和Eiamsa-ard等[11]采用SSTk-ω湍流模型研究了吸热板上的矩形直肋对流动和换热产生的影响。Karmare等[12]对倾斜角为60°的离散型倾斜肋片进行了数值模拟，结果表明它在强化换热方面有很好的表现。刘一福[13]、夏佰林[14]和胡建军[15]对折流板型太阳能空气集热器的内部流动和传热性能进行了实验和数值模拟研究。

多重V形肋片是在V形基础上的改进，Hans等[8,16]和Kumar等[17]对带有肋片、倒角等的一些集热器模型的总结中发现，带有多重V形肋片的平板型集热器在强化换热方面具有良好的表现。虽然已有不少的学者对V形肋片进行了研究，但大多以实验为主，难以给出集热器内部的温度场和速度场等特性，以便从机理上对集热器传热性能进行分析。本文利用fluent计算软件，对带有多重V形肋片的平板型集热器进行了数值模拟，研究了集热器通道内部流场及换热特性，为平板型集热器的结构优化提供了依据。

1 物理模型

平板型空气集热器的结构如图1所示，肋片位于吸热板下表面。

图1 平板型空气集热器的结构图

本文的研究模型如图2所示，矩形通道的高(H)为30 mm，宽(W)为300 mm，肋高(e)为3 mm，肋厚为0.3 mm，肋片倾角(α)为60°，肋片节距(P)为60 mm，用w表示单个V形肋片的宽度。系统的入口段长度为500 mm，计算段长度为1 000 mm，出口段长度为500 mm，吸热板厚度为6 mm。入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口，上表面为1 000 W/m2的恒热流密度。只考虑集热器流道内吸热板与空气之间的对流换热，集热器侧面及底面绝热。本文对相对肋宽比W/w为1、2、3、4、5、6、8、10的八个模型进行研究。

图2 计算模型

2 网格及计算模型的选择

2.1 网格无关性检验

本文选用W/w=5的模型进行网格无关性检验。对W/w=5模型采用五种网格划分方式，分别得到144万、240万、430万、670万和849万五种网格。这五种网格在肋片和壁面处都进行局部加密，如图3所示。

图3 非均匀网格

在Re=10 000时，对这五种网格分别采用标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、标准k-ω模型、SSTk-ω模型和雷诺压力模型(RSM)六种不同的湍流模型进行模拟，得出的结果见表1。根据表1可以看出，采用670万的网格，壁面Nu数已经基本稳定，网格数再增加到850万时，Nu数变化很小。670万的网格采用贴壁最小网格0.08 mm，增长率1.2，最大网格1.6 mm进行划分，在贴壁处y+≈1，可以用来对层流底层(y+<5)进行计算。

2.2 选择湍流模型与近壁面的处理方法

表1中的模拟结果与文献[18]对比发现，采用RNGk-ε模型的计算结果与实验结果最接近。RNGk-ε模型为低雷诺数流模型，可以正确的计算近壁区域，在弯曲流线、漩涡和旋转等方面能够做出比较准确的预测。

湍流流动受壁面的影响很大，在近壁面粘性力将抑制流体切线方向速度的变化，在动量、热量及质量交换中都起主导作用。增强壁面处理是一种近壁面的处理方法，它通过增强壁面函数结合了一个双层模型。如果靠近壁面的网格足够好，就能够对薄片状的亚表层(典型情况y+≈1)进行处理。所以本文选用RNGk-ε湍流模型，增强壁面函数进行计算。

表1 不同网格数和湍流模型下的壁面Nu数计算结果

3 计算结果及分析

图4及图5给出了相对肋宽比(W/w)对壁面Nu数和摩擦阻力系数的影响。由图4可以看出随着W/w的增大，Nu数先增大，当W/w达到3时，Nu数趋于稳定，当W/w> 6时，随着W/w的继续增大，Nu数逐渐减小。图5显示了W/w对摩擦阻力系数的影响。随着W/w的增大，摩擦阻力系数也是先增大后减小。雷诺数在5 000～12 000范围内时，W/w=6时的摩擦阻力系数最大；雷诺数在15 000～20 000范围内时，W/w=8时的摩擦阻力系数最大。

为了评价不同几何形状肋片的性能，采用换热性能因数(η)进行对比，换热性能因数定义为

(1)

式中,光滑壁面的Nus数和摩擦阻力系数fs分别采用式(2)和式(3)进行计算[8]

Nus=0.024Re0.8Pr0.4

(2)

fs=0.085Re-0.25

(3)

图6给出了相对肋宽比(W/w)对换热性能因数的影响。从图6可以看出，当雷诺数在5 000～8 000的范围内时，W/w=5的集热器具有最好的传热性能。当雷诺数在10 000～18 000的范围内时，W/w=6的集热器具有最好的传热性能。当雷诺数等于20 000时，W/w=8的集热器具有最好的传热性能。总体来说W/w=6时集热器具有较好的传热性能。

图4 不同Re数下，相对肋宽比W/w对Nu数的影响

图5 相对肋宽比(W/w)对摩擦阻力系数的影响

图6 相对肋宽比(W/w)对换热性能因数的影响

图7为光滑壁面和多重V型肋壁面(W/w=6)的Nu数变化云图，可以看出，带有多重V型肋的壁面Nu数比光滑壁面有很大提高。图8给出了Nu数沿换热壁面的变化图。从图中可以看到，总体上讲，肋片尾端处沿主流方向(a切面)上的壁面Nu数明显大于肋片顶端处沿主流方向(c切面)上的壁面Nu数，结合图7可以看出，Nu数从a切面向c切面逐渐减小。但是，对于肋片背风面上的Nu数，肋片顶端处最大，并向肋片尾端方向逐渐减小。在肋片表面，Nu数随肋片高度的增加而增加。在肋片之间，沿主流方向Nu数先增大后减小，在临近肋片处又先急剧增大后又急剧减小。

图7 光滑壁面和多重V型肋壁面(W/w=6)的Nu数变化云图

图8 Nu数沿换热壁面的变化 (a)切面a处;(b)切面b处;(c)切面c处

图9 速度矢量图

图9为流体的速度矢量图。可以看出，a切面上的流速总体上大于c切面，流速由a切面向c切面逐渐减小。另外，由翅片处速度矢量放大图e、f、g可以看出，a切面处产生的旋涡较小且离翅片较远，而c切面处产生的旋涡较大，离翅片较近。可以看出，肋片的存在加强了靠近壁面处的流体的扰动，破坏了层流底层。流体掠过肋片后，由于死区的存在，靠近肋片处，几乎没有对流换热，Nu数很小；随着到肋片距离的增大，对流换热增强，Nu增大；继续向前流动，受下一个翅片的影响，产生回流，使Nu急剧增大，由于死区的存在，Nu又急剧减小。

随着肋片组数的增多，旋涡的组数和肋片尾端的个数也增多，所以Nu数增大，但是由于旋涡的大小受肋片宽度的限制，所以当相对肋宽比增大到一定数目后，Nu数不再增加，反而有所减小。

在吸热板表面增加V形肋片，由于换热系数的增加，可以在实质上提高太阳能集热器的换热性能。虽然产生的绕流破坏了层流底层，但是核心流动并没有受到破坏，因此避免了过多的摩擦损失。

4 结论

本文用数值模拟(CFD)的方法研究了带有多重V形肋片的平板型空气集热器的换热特性，结果表明，V形肋片有效增强了对流换热。

(1)多重V形肋片可以强化集热器的传热，同时避免较大的摩擦损失；

(2)在肋片之间，Nu数沿主流方向先增大后减小，而在肋片表面上，Nu数则从肋片尾端向肋片顶端逐渐减小；

(3)当相对肋宽比为W/w=6时，集热器具有较好的传热性能，此时Nu数是光滑壁面的2.54倍，换热性能因数最大为1.55。

[1]Abdul-Malik Ebrahim Momin, J S Saini, S C Solanki. Heat transfer and friction in solar air heater duct with V-shaped rib roughness on absorber plate[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2002(45):3383-3396.

[2]Giovanni Tanda. Heat transfer in rectangular channels with transverse and V-shaped broken ribs[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2004(47):229-243.

[3]SYoucef-Ali. Study and optimization of the thermal performances of the offset rectangular plate fin absorber plates, with various glazing[J].Renewable Energy,2005(30):271-280.

[4]R P Saini, Jitendra Verma. Heat transfer and friction factor correlations for a duct having dimple-shape artificial roughness for solar air heaters[J].Energy,2008(33):1277-1287.

[5]Varun, R P Saini, S K Singal. Investigation of thermal performance of solar air heater having roughness elements as a combination of inclined and transverse ribs on the absorber plate[J].Renewable Energy,2008(33):1398-1405.

[6]S V Karmare, A N Tikekar. Experimental investigation of optimum thermohydraulic performance of solar air heaters with metal rib grits roughness[J].Solar Energy,2009(83):6-13.

[7]Rajendra Karwa, Kalpana Chauhan. Performance evaluation of solar air heaters having v-down discrete rib roughness on the absorber plate[J].Energy,2010(35):398-409.

[8]V S Hans, R P Saini, J S Saini. Heat transfer and friction factor correlations for a solar air heater duct roughened artificially with multiple v-ribs[J].Solar Energy,2010(84):898-911.

[9]SYoucef-Ali, J Y Desmons. Numerical and experimental study of a solar equipped with offset rectangular plate fin absorber plate[J].Renewable Energy,2006(31):2063-2075.

[10]Alok Chaube, P K Sahoo, S C Solanki. Analysis of heat transfer augmentation and flow characteristics due to rib roughness over absorber plate of a solar air heater[J].Renewable Energy,2006(31):317-331.

[11]Smith Eiamsa-ard, Pongjet Promvonge. Numerical study on heat transfer of turbulent channel flow over periodic grooves[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2008(35):844-852.

[12]SV Karmare, A N Tikekar. Analysis of fluid flow and heat transfer in a rib grit roughened surface solar air heater using CFD[J].Solar Energy,2010(84):409-417.

[13]刘一福，黄坤荣，王玉林.扰流板型太阳能平板空气集热器数值模拟分析[J].机械研究与应用,2012(1):65-68.

[14]夏佰林，赵东亮，代彦军，等.扰流板型太阳能平板空气集热器集热性能[J].上海交通大学学报,2011,45(6):870-873.

[15]刘一福.扰流板型太阳能平板空气集热器数值模拟研究[D].衡阳:南华大学,2012

[16]Vishavjeet Singh Hans, R P Saini, J S Saini. Performance of artificially roughened solar air heaters—A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(13):1854-1869.

[17]Anil Kumar, R P Saini, J S Saini. Heat and fluid flow characteristics of roughened solar air heater ducts-A review[J].Renewable Energy,2012(47):77-94.

[18]Pongjet Promvonge. Heat transfer and pressure drop in a channel with multiple 60° V-baffles[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2010(37):835-840.

StudyonHeatTransferCharacteristicsofSolarAirCollectorwithV-shapedRibs

XU Sha-sha, JIN Dong-xu, ZHANG Man-man

(Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

A numerical simulation is conducted for the flow and heat transfer characteristics in solar air collector with multi v-shaped fins. Effects of the relative roughness width ratio (W/w) on the heater transfer performance and flow field were investigated adopting the RNGk-εturbulence model for the Reynolds number range from 5 000 to 20 000. The results show that usage of the v-shaped fins can enhance the convective heat transfer as a result of the disturbance of the vortex and the backflow that form during the air flow pasts the v-shaped fins. Compared with other values ofW/w, air collector has better heat transfer enhancement atW/w=6 and the Nusselt number is 2.54 times of that without fins. However, using the fins leads to the increase of the friction loss. The maximum thermal enhancement factor is 1.55.

solar air collector; flat-plate collector; numerical simulation; heat transfer enhancement; v-shaped fin

2014-02-25修订稿日期2014-04-21

辽宁省自然科学基金项目(2013020156)

徐莎莎(1987～)，女，硕士研究生，研究方向为强化换热。

TK512;TK513;TK515

A

1002-6339 (2014) 05-0414-05